Kwasy karboksylowe

1. Kwasy karboksylowe

Kwasy karboksylowe, podobnie jak aldehydy i ketony, są bardzo ważnymi związkami organicznymi, ponieważ służą jako punkt wyjściowy do syntezy wielu innych grup funkcyjnych, a w dodatku dominują one biologiczne szlaki metaboliczne (np. słynny cykl Krebsa = cykl kwasu cytrynowego). Jest jeszcze zła wiadomość − kwasy karboksylowe były jednymi z pierwszych poznanych związków organicznych, dlatego funkcjonuje ogrom nazw własnych (np. kwas octowy jako kwas etanowy), bo przecież jakoś trzeba było je przezywać, zanim powstał porządny system nazewnictwa…. Kwasy karboksylowe można pogrupować na aromatyczne (grupa ーCOOH przyłączona bezpośrednio do benzenu) oraz alifatyczne = niearomatyczne.

Kwasy karboksylowe mają grupę karboksylową. Możemy je podzielić na aromatyczne oraz alifatyczne.

Kwasy karboksylowe rozpoznajemy po obecności grupy karboksylowej, czyli ーCOOH. Zawsze denerwował mnie ten zapis, ciągle zastanawiałem się, czy można pisać ーCO2H. Jak myślisz, można[1]? Zastanówmy się przede wszystkim, dlaczego właśnie jest to tak zapisywane?

Zamysł jest taki, aby pokazać, że te dwa atomy tlenu są połączone z węglem w inny sposób. Przecież mamy jedno połączenie węgla z tlenem wiązaniem pojedynczym, a jedno wiązaniem podwójnym, więc byśmy powiedzieli, że te dwa atomy tlenu są nierównocenne[1] (nie takie same).

Jeśli chodzi o otrzymywanie kwasów karboksylowych to jest przyjemna sprawa, ponieważ my już to potrafimy.

Otrzymywanie kwasów karboksylowych to z reguły utlenianie alkoholi pierwszorzędowych lub aldehydów. Można to zrobić etapowo (poprzez aldehyd) lub od razu z alkoholu, jeśli tylko użyjemy mocnego utleniacza. Żeby jednak dojść do kwasu karboksylowego będziemy potrzebować tak czy inaczej mocnego utleniacza

2. Kwasy karboksylowe : nazewnictwo

Nazewnictwo do znudzenia wygląda już tak samo, więc nawet zanim zacznę Ci tu gadać o regułach, to pewnie samodzielnie już się domyślasz, co jest pięć. A więc tylko dla dopełnienia formalności :

➦ węgiel obecny w grupie karboksylowej otrzymuje pierwszeństwo w nazewnictwie, czyli ma dostać najniższą cyferkę.

kwas karboksylowy będzie miał początek kwas…. , a końcówkę −owy . Znów to pięknie logicznie, jak tu nie kochać chemii organicznej, hmm?

Kwas
karboksylowy
Kwas metanowyKwas etanowyKwas pentanowy
Wzór
półstrukturalny
HCOOHCH3COOHCH3CH2CH2CH2COOH
Kilka przykładów kwasów karboksylowych

Typowy błąd : zapominanie o tym, że węgiel w grupie karboksylowej też się ,,liczy” do nazwy. A więc często ktoś kwas pentanowy zapisałby jako CH3CH2CH2CH2CH2COOH , bo chciałby dać 5 atomów węgla oprócz grupy karboksylowej.

Kwasy karboksylowe : nazewnictwo.

Zobaczmy jeszcze na przykłady kwasów nienasyconych, czyli takich z dodatkowym wiązaniem podwójnym C=C 

  CH3CH=CHCOOHCH2=CHCH2COOH
    kwas but−2−enowykwas but−3−enowy

A teraz to, o czym wspominałem na początku. Zrywam plaster szybko, aby szok zmieszał się z bólem nauki na pamięć, która za chwilę Cię czeka. Bonus : możesz całkiem łatwo zapamiętać, że jak utlenisz kwas mlekowy, to powstanie kwas pirogronowy. Jednakże spokojnie, akurat oba te kwasy są podane w tablicach maturalnych, reszty musisz się nauczyć. 

Kwas szczawiowy (etanodiowy) jest dla Ciebie najważniejszym przedstawicielem kwasów dikarboksylowych (czyli takiego z dwoma grupami ーCOOH) i powinieneś go znać z reakcji z manganianem(VII) potasu, pod wpływem którego utlenia się do CO2 . W równaniach reakcji kwas szczawiowy HOOCCOOH często zapisuje się we wzorze sumarycznym, czyli  H2C2O4 .

5C2O42ー  +  2MnO4  +  16H+   ⟶   2Mn2+  +  10CO2  +  8H2O

utlenianie :  C2O42ー   ⟶ 2CO2 + 2e

redukcja :  MnO4  +  8H+  + 5eー     ⟶Mn2+  +  4H2O

Charakterystyczne są także reakcje rozkładu termicznego (czyli ogrzewanko) soli kwasów szczawiowych (szczawiany), np. szczawianu wapnia :

CaC2O4  CaO  +  CO2  +  CO

Obecność tlenku węgla(II) w produktach można wyjaśnić, jeśli tylko rozpiszemy tą reakcję rozkładu etapowo :

(I etap) : CaC2O4   ⟶   CaCO3  +  CO      

(II etap) : CaCO3   ⟶   CaO  +  CO2

3. Dysocjacja kwasów karboksylowych

Dysocjacja kwasów karboksylowych już była omawiana, teraz tylko dodatkową uwagę chciałbym zwrócić na nazewnictwo powstających anionów, ponieważ też jest to ważne. Z tych nazw będziemy potrafili potem ogarnąć jak się nazywają sole kwasów karboksylowych.

Dysocjacja kwasów karboksylowych, a także nazewnictwo powstałych anionów, na podstawie których nazwiemy odpowiednie sole kwasów.

Sole kwasów karboksylowych są bardzo ważne i trzeba przede wszystkim zdać sobie sprawę, że to zwykłe sole, a więc połączenie kationu metalu z resztą kwasową, po prostu teraz reszta pochodzi od kwasu organicznego, ot co. Zwróć zatem uwagę, że nazewnictwo jest dokładnie takie samo jak w klasycznych (nieorganicznych) solach.

Kwasy karboksylowe są słabymi kwasami (dysocjacja zapisana z dwoma strzałkami!), ale na organicznym polu bitwy to one są jednymi z bardziej kwasowych związków, co zresztą ma odzwierciedlenie w ich nazwie.

4. Kwasy karboksylowe : właściwości fizyczne

Już do znudzenia ciągną się za nami wiązania wodorowe, więc zapewne sam doskonale się już domyślasz, że trzeba wszędzie ich szukać. Znajdziemy je także tym razem, w kwasach karboksylowych. Poniżej przedstawiono tak zwany dimer kwasu octowego. Dimer, bo jest to połączenie dwóch takich samych cząsteczek. 

Dimer kwasu octowego

Tworzenie takich dimerów jest, można powiedzieć, dodatkiem do zwykłych wiązań wodorowych jakie będą tworzyć kwasy z wodą, co przekłada się na ich turbo wysokie temperatury wrzenia (w porównaniu oczywiście do odpowiednich związków organicznych). Przykładowo dla etanolu Twrz = 78 ℃ , natomiast dla kwasu octowego jest to aż 118 ℃.

Kwas karboksylowe są dobrze rozpuszczalne w wodzie, ze względu na obecność polarnej grupy karboksylowej, chyba że łańcuch węglowy (R) zaczyna się robić długi. I faktycznie, od sześciu atomów węgla kwasy przestają być już dobrze rozpuszczalne w wodzie, ale ich sole już są dobrze rozpuszczalne (podobnie było z fenolami). Te różnice w rozpuszczalności (kwas vs jego sól) wykorzystuje się do oczyszczania kwasów przez ekstrakcję.


[1] W sumie można, chociaż nie jest to zalecane dla początkujących chemików. Okazuje się, że oba atomy tlenu w grupie karboksylowej są równocenne, ze względu na dynamiczny charakter atomu wodoru. Poniżej wycinek z chemii organicznej Claydena, a więc niemalże najwyższej instancji w tej dziedzinie :

Grupa karboksylowa przedstawiona jako ーCO2H

Leave a Reply

%d bloggers like this: